(57)【要約】【課題】可変速PWMインバータ装置の運転を開始してから停止するまでの１サイクルの運転パターンにおける、インバータ出力周波数が変化するときの半導体素子のジャンクション温度の最大値Tjmaxを少ない演算時間で正確に算出する。【解決手段】インバータ装置の構成や動作運転パターンを入力する(201)。入力されたインバータ運転条件により、各区間の半導体素子での平均発生損失を算出する(202)。算出された平均発生損失の波形から、T(c-f)，T(f-a)を計算する(204)。また出力周波数を考慮したジャンクション-ケース間温度の最大値T(j-c)maxの計算を行う(205〜207)。Tcの値と上記T(j-c)maxの値より、ジャンクション温度の最大値Tjmaxの時系列データを得る(208)。そして区間切替直後から時間t経過後に過渡応答補正を加え、最終的なジャンクション温度の最大値Tjmaxを推定により得る(209)。【選択図】図１
2010124606.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の半導体素子とヒートシンクから構成される可変速PWMインバータ装置の運転を開始してから停止するまでの１サイクルの運転パターンにおける、前記インバータ装置の構成要素の温度上昇値を算出するシミュレーション方法において、
前記インバータ装置を構成する半導体素子を選択する工程と、
前記１サイクル中の周囲温度Ta，ヒートシンクの過渡熱抵抗値Zth(f-a)，出力負荷電流値I，出力周波数ｆ，キャリア周波数fc，制御率λ，力率φ，半導体素子のゲート抵抗Rgの時系列データを入力する工程と、
半導体素子の損失特性およびジャンクション-ケース間過渡熱抵抗値Zth(j-c)とケース-ヒートシンク間過渡熱抵抗値Zth(c-f)を記憶したデータベースと、前記選択された半導体素子の損失特性と前記入力された運転パターンとに基づいて半導体素子の発生損失の時系列データを算出する工程と、
前記算出した発生損失と前記ケース-ヒートシンク間過渡熱抵抗値Zth(c-f)と前記ジャンクション-ケース間過渡熱抵抗値Zth(f-a)とに基づいてケース-ヒートシンク間温度上昇T(c-f)，ヒートシンク-周囲間温度上昇T(f-a)を算出する工程と、
インバータ出力周波数が連続的に変化する期間の半導体素子のジャンクション-ケース間温度上昇T(j-c)の最大値T(j-c)maxを求めるために、その期間内の２つの出力周波数での１周期におけるT(j-c)maxを算出し、これら２つのT(j-c)maxの値から出力周波数とT(j-c)maxの特性関数を求めて、全ての周波数におけるT(j-c)maxを算出する工程と、
前記算出した半導体素子のジャンクション-ケース間温度上昇T(j-c)の最大値T(j-c)max，ケース-ヒートシンク間温度上昇T(c-f)，ヒートシンク-周囲間温度上昇T(f-a)，周囲温度Taからジャンクション温度の最大値Tjmaxを計算する工程と、
を含むことを特徴とするシミュレーション方法。
【請求項２】
前記ジャンクション-ケース間温度上昇の最大値T(j-c)maxの計算において、インバータ装置の出力周波数とT(j-c)maxの特性関数を、a,bを定数として、
T(j-c)max = a/f + b
として算出することを特徴とする請求項１に記載のシミュレーション方法。
【請求項３】
前記ジャンクション温度の最大値Tjmaxの計算において、運転パターンの動作条件が変化した直後の温度変化を、インバータ構成要素の熱抵抗モデルを等価的な一次遅れ回路とみなして計算することを特徴とする請求項１に記載のシミュレーション方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、可変速PWMインバータ装置の設計に関わるシミュレーション方法に関し、特に、半導体素子の発生損失および温度を推定するシミュレーション方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図７は、インバータ装置の代表的な回路構成を示す図であり、図示例は三相交流を出力する三相ブリッジインバータ装置に係るものである。ヒートシンク103上に複数の半導体素子101が複数個設置されて構成されている。半導体素子101は、直流母線間で２素子が直列に接続され、各半導体素子101の結合点から三相交流u,v,wの各相が出力される構成となっている。また直流母線間に配設された平滑用の電解コンデンサには、図示せざるDCリンク(結合)電圧102が印加される。
【０００３】
図８は、一般的なインバータ装置の運転動作例を示す図である。区間１は加速期間であり、例えば150%の負荷電流で出力周波数fが0 Hzから定格周波数まで変化している。区間２は定常運転期間であり、100%負荷で定格周波数で動作している。区間３は減速区間であり、130%の負荷電流で出力周波数fが定格周波数から0 Hzまで変化している。
【０００４】
インバータ装置の設計において、このような動作パターンにおける、半導体素子のジャンクション温度Tjを計算し、ジャンクション温度Tjが半導体素子の最大定格値以内に収まるように設計する必要がある。
【０００５】
図９は、図８に示す加速運転時の出力電流，発生損失，ジャンクション温度Tjの各波形を示す図である。出力電流の実効値Ｉが一定の時、発生損失の平均値Ｐは一定である。しかし出力周波数fによってジャンクション温度Tjは変化しており、周波数が低いほど大きくなっている。このとき、ジャンクション温度Tjとケース温度Tcの差の最大値T(j-c)maxは図５に示すように、反比例の関係にある。
【０００６】
従来の損失・温度の計算方法として特許文献１に示す計算方法が知られているが、インバータ装置の出力周波数による温度リップルを考慮していないので、素子温度上昇の推定値に大きな誤差が生じる。
【０００７】
また特許文献２には、周波数指令及びトルク指令に基づくインバータ部の出力電流、出力電流周波数と、電流出力時間とを変数として、温度異常判定関数記憶部に記憶されている関数を参照してインバータ主回路を構成するスイッチング素子の温度が正常か異常かを判定する温度異常判定部を備えてスイッチング素子の熱破壊保護機能を持つエレベータ用制御マイコンが開示されている。そして温度異常判定関数記憶部は、ケース-接合部ジャンクション温度変換演算部を備え、出力電流周波数データ、スイッチング素子発生損失演算部にて演算された素子発生損失及び適用素子データ入力部によって入力された適用素子特性データに基づいて、ジャンクション温度変化を演算し、出力周波数が低くなるにつれて、スイッチング素子のケースとチップ接合部との間の温度上昇ピーク値が高くなる特性を持つ関数式を記憶することが開示されている。
【０００８】
また、発生損失から温度を計算する方法として、図３に示すようなジャンクション-ケース間，ケース-ヒートシンク間，ヒートシンク-周囲間の温度上昇モデルを等価的な一次遅れ回路とみなして計算する方法がある。この手法では、発生損失がＰのときのt秒後の温度変化ΔTは、定常熱抵抗値をRth，一次遅れ時定数をTthとして、以下の式（１）で求めることができる。
【０００９】
ΔT ＝ Ｐ×Rth {１−exp ( t / Tth ) }        （１）
【特許文献１】特開２００７−０４３７８３号公報
【特許文献２】特開２００２−３０２３５９号公報（段落００１６，００２３）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
温度上昇モデルを等価的な一次遅れ回路とみなして計算する方法は、発生損失Ｐが一定の場合に限定される。Ｐが連続して変化するような場合には、Ｐが一定とみなせるごく短い期間にtを分割して繰り返しΔTの計算を行う必要がある。したがって、インバータ装置が運転を開始してから加速・減速を繰り返し、停止するまでの運転パターンを計算する場合において、インバータ出力周波数による温度リップルを正確に計算する場合には、計算量が膨大になってしまう欠点がある。
【００１１】
また上記式（１）を用いずに、周期関数によって半導体素子のジャンクション温度Tjを計算する方法もある。例えば、上記特許文献１には、運転パターンにおける発生損失をフーリエ変換によって周波数領域に分解し、各周波数成分の温度上昇を算出し、その後で逆フーリエ変換によって時間領域の温度上昇を求める方法が記載されている。周期関数を用いることで少ない計算量で運転パターンにおける温度上昇計算が可能である。しかしながら、この方法には出力周波数が考慮されていないため、素子温度上昇を正確に計算できないという欠点がある。
【００１２】
本発明では、上記課題を解決するために、可変速PWMインバータ装置の運転を開始してから停止するまでの１サイクルの運転パターンにおける、インバータ出力周波数が変化するときの半導体素子のジャンクション温度の最大値Tjmaxを少ない演算時間で正確に算出するシミュレーション方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、インバータ装置を構成する半導体素子を選択する工程と、インバータ装置が運転を開始してから加速、減速運転し、停止するまでを１サイクルとして、この１サイクル中の周囲温度Ta，ヒートシンクの過渡熱抵抗値Zth(f-a)，出力負荷電流値I，出力周波数ｆ，キャリア周波数fc，制御率λ，力率φ，半導体素子のゲート抵抗Rgの時系列データを入力する工程と、半導体素子の損失特性およびジャンクション-ケース間過渡熱抵抗値Zth(j-c)とケース-ヒートシンク間過渡熱抵抗値Zth(c-f)を記憶したデータベースと、前記選択された半導体素子の損失特性と前記入力された値に基づいて半導体素子の発生損失の時系列データを算出する工程と、前記算出した発生損失と前記ケース-ヒートシンク間過渡熱抵抗値Zth(c-f)と前記ジャンクション-ケース間過渡熱抵抗値Zth(f-a)とに基づいてケース-ヒートシンク間温度上昇T(c-f)，ヒートシンク-周囲間温度上昇T(f-a)を算出する工程と、インバータ出力周波数が連続的に変化する期間の半導体素子のジャンクション-ケース間温度上昇T(j-c)の最大値T(j-c)maxを求めるために、その期間内の２つの出力周波数での１周期におけるT(j-c)maxを算出し、これら２つのT(j-c)maxの値から出力周波数とT(j-c)maxの特性関数を求めて、全ての周波数におけるT(j-c)maxを算出する工程と、前記算出した半導体素子のジャンクション-ケース間温度上昇T(j-c)の最大値T(j-c)max，ケース-ヒートシンク間温度上昇T(c-f)，ヒートシンク-周囲間温度上昇T(f-a)，周囲温度Taからジャンクション温度の最大値Tjmaxを計算する工程と、を含んで成る半導体素子温度を正確に推定するシミュレーション方法である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、インバータ装置の動作パターンを考慮した半導体素子のジャンクション温度の最大値を、インバータ出力周波数を考慮して正確に算出することができる。また、計算回数が従来に比較して少ないので、損失・温度の計算量並びにインバータ装置設計の負担を軽減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、発明を実施するための最良の形態について図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の実施形態に係るシミュレーション方法によるジャンクション温度計算のための処理の流れを説明する図である。また図２，図３は、本発明のジャンクション温度計算で用いるインバータ装置の半導体チップ、ケース及びヒートシンクの構成並びにその熱抵抗モデルを示す図である。
【００１６】
図２は、インバータ装置の半導体チップ、ケース及びヒートシンクの構成概要を示す図であり、一つのヒートシンク103上に一つのケース104が設置され、また一つのケース104の上に一つ以上の半導体チップ105が内蔵される構成であり、これらに対して周囲106が存在する。図３に示す熱抵抗モデルにおいて、周囲温度をTaとしたときの、ジャンクション温度Tj，ケース温度Tc，ヒートシンク温度Tfを計算する。以下、図３に示される熱抵抗モデルに基づいて図１に示すシミュレーション方法によるジャンクション温度計算の処理の流れを説明する。
【００１７】
図１に示す201は、インバータ装置の構成や動作運転パターンの入力部である。インバータ動作条件，運転パターン入力部201では、インバータ装置に適用する半導体素子を選択し、周囲温度Ta，インバータ装置の出力負荷電流値Ｉ，出力周波数f，DCリンク電圧Vdc，PWMキャリア周波数fc，PWM制御率λ，力率φ，半導体素子のオンゲート抵抗Rg(on)，オフゲート抵抗Rg(off)を時系列データとして入力する。
【００１８】
まず、図８に示すように、出力周波数fが0 Hzから定格周波数まで変化する加速期間（区間１），定常運転期間（区間２），出力周波数fが定格周波数から0 Hzまで変化する減速区間（区間３）をPWMインバータの運転の1サイクルとする。
【００１９】
そして、平均発生損失演算部202では、入力された各区間でのインバータ運転条件により、各区間の半導体素子での平均発生損失を算出する。発生損失は、出力負荷電流値Ｉ，出力周波数f，PWMキャリア周波数fc，PWM制御率λ，力率φ，半導体素子のゲート抵抗Rgの関数によって半導体素子毎に表され、これらの関数は予め実験などにより取得しておき、データベース203に登録しておく。データベース203に示される「IGBT」は、図７に示すようなインバータ装置に使用されることが多い半導体素子であるIGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor ：絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）についての実験結果データが一例として格納されていることを示している。
【００２０】
図１に示すT(c-f)，T(f-a)演算部204では、上記平均発生損失演算部202で算出された平均発生損失の波形から、ケース-ヒートシンク間温度T(c-f)，ヒートシンク-周囲温度間温度T(f-a)を計算する。発生損失の波形をフーリエ変換によって周波数分解し、それぞれの周波数成分にケース-ヒートシンク間過渡熱抵抗値Zth(c-f)，ヒートシンク-周囲間過渡熱抵抗値Zth(f-a)を乗算し、ケース-ヒートシンク間温度T(c-f)とヒートシンク-周囲温度間温度T(f-a)の周波数成分毎の値を得る。それらの値を逆フーリエ変換することでケース-ヒートシンク間温度T(c-f)とヒートシンク-周囲温度間温度T(f-a)の時間領域のデータを得る。さらに以下に示す式（２）および式（３）により、ケース温度Tc，ヒートシンク温度Tfについての時系列データを得る。
【００２１】
Tf = T(f-a) + Ta        （２）
Tc = T(c-f) + Tf        （３）
インバータ運転パターンのある区間内において、インバータ出力周波数が変化する場合には、図１に示す205〜207において、出力周波数を考慮したジャンクション-ケース間温度の最大値T(j-c)maxの計算を行う。出力周波数が変化しない場合には、区間内で最大周波数時のT(j-c)max演算部205の計算のみを行い、区間内で最小周波数時のT(j-c)max演算部206，T(j-c)max周波数依存性演算部207での計算は行わない。
【００２２】
一般に、発生損失が一定のとき、半導体素子固有の時定数でジャンクション温度Tjは上昇する。したがって、出力周波数が高いほど1周期でのジャンクション温度上昇値は小さくなり、図５に示すジャンクション-ケース間温度の最大値T(j-c)maxと出力周波数fとの関係は、以下の式（４）で表される。
【００２３】
T(j-c)max = a / f + b         （４）
上記式（４）における定数a，bを求めることで、全ての周波数でのジャンクション-ケース間温度の最大値T(j-c)maxを算出することができる。
【００２４】
まず図１に示す、区間内で最大周波数時のT(j-c)max演算部205では、その区間内での最大出力周波数でのジャンクション-ケース間温度上昇T(j-c)の最大値T(j-c)maxを計算する。1周期の出力電流波形は正弦波とみなし、インバータ出力電流実効値Ｉ，出力周波数f，PWMキャリア周波数fc，DCリンク電圧Vdc，ゲート抵抗値Rg，PWM制御率λ，力率φと、データベース203に記憶された半導体素子の発生損失特性をもとに、図４の波形に示すような1出力周期でのスイッチングによる発生損失の瞬時値を計算する。算出された損失の波形をフーリエ変換し、周波数成分に分解する。各周波数成分に半導体素子のジャンクション-ケース間の過渡熱抵抗値Zth(j-c)を乗算し、ジャンクション-ケース間温度上昇T(j-c)の周波数領域のデータを得る。算出されたジャンクション-ケース間温度上昇の周波数領域のデータを逆フーリエ変換し、時間領域のジャンクション-ケース間温度上昇T(j-c)の時系列データを算出し、ジャンクション-ケース間温度の最大値T(j-c)maxを得る。
【００２５】
つぎに図１に示す、区間内で最小周波数時のT(j-c)max演算部206では、その区間内での最小出力周波数でのジャンクション-ケース間温度の最大値T(j-c)maxを算出する。つづいて図１に示す、T(j-c)max周波数依存性演算部207において、上記205，206より求めた２組の出力周波数fとジャンクション-ケース間温度の最大値T(j-c)maxの値から、上記式（４）の連立方程式より、定数a，bを得る。求めた定数a，bを再び式（４）に代入し、周波数が変化する区間内でのジャンクション-ケース間温度の最大値T(j-c)maxの時系列データを得る。
【００２６】
各区間毎に、上記205〜207における演算を繰り返して計算を行い、全ての区間のジャンクション-ケース間温度の最大値T(j-c)maxの時系列データを得る。
図１に示すTj演算部208では、上記T(c-f)，T(f-a)演算部204より求めたケース温度Tcの値とジャンクション-ケース間温度の最大値T(j-c)maxの値より、以下の式（５）より、
Tjmax = T(j-c)max + Tc        （５）
これによりジャンクション温度の最大値Tjmaxの時系列データを得る。
【００２７】
図１に示す、Tjmaxの過渡応答補正演算部209は、以上の手順で求めたジャンクション温度の最大値Tjmaxに過渡応答補正を加える演算部である。先の計算手順で求めたジャンクション温度の最大値Tjmaxは、繰り返し動作における定常状態での値である。したがって、区間が切り替わり、運転モードが変わった直後は、過渡状態であるので、算出した温度上昇値までは至らない。そこで、区間切替直後から時間t経過後に過渡応答補正を加え、最終的なジャンクション温度の最大値Tjmaxとし、これを計算結果出力部210より出力する。
【００２８】
区間切替直後の温度上昇波形は、式（１）より求める。
区間開始時の値をTjmax ( 0 )とし、上記Tj演算部208において求めた値をTjmax ( sat )とし、データベース203に記憶されている半導体素子固有の温度上昇時定数をTthとし、これらを式（１）に代入することで、過渡応答補正後のTjmaxを算出する以下の式（６）が得られる。そして式（６）による計算結果を図６に示す。
【００２９】
Tjmax = Tjmax(sat){1 -(1 -(Tjmax(0)/ Tjmax(sat)) exp(-t / Tth)}・・（６）
図６に示す波形から分かるように、過渡応答補正前のTjmaxに対して、区間切替直後から時間t経過後に過渡応答補正を加えることで、最終的なジャンクション温度の最大値Tjmaxをシミュレーションにより正確に推定して求めることができる。
【００３０】
なお、上記の例では、図８に示すように、出力周波数fが0 Hzから定格周波数まで変化する加速期間（区間１），定常運転期間（区間２），出力周波数fが定格周波数から0 Hzまで変化する減速区間（区間３）をPWMインバータの運転の1サイクルとして説明した。これは、「停止〜定格、定格、定格〜停止」というような区間が最も単純な例で説明するためのものである。
【００３１】
この例に限らず、「停止〜定格、減速、再加速、定格、定格〜停止」というような区間が3つ以上になる複雑なパターンをPWMインバータの運転の1サイクルとする場合であっても、平均発生損失演算部202では、入力された各区間でのインバータ運転条件により、各区間の半導体素子での平均発生損失を算出することができる。以後の算出方法は、同様である。
【００３２】
このように、区間ごとに半導体素子での平均発生損失を算出することができるので、区間が3つ以上になる複雑なパターンのサイクルであっても、インバータ装置の動作パターンを考慮した半導体素子のジャンクション温度の最大値を、インバータ出力周波数を考慮して正確に算出することができる。また、従来に比して少ない計算回数で、損失・温度の計算量並びにインバータ装置設計の負担を軽減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の実施形態に係るシミュレーション方法によるジャンクション温度計算のための処理の流れを説明する図である。
【図２】インバータ装置の半導体チップ、ケース及びヒートシンクの構成概要を示す図である。
【図３】本実施形態で採用する熱抵抗モデルを示す図である。
【図４】1周期の電流波形，損失波形，ジャンクション-ケース間温度波形を示す図である。
【図５】T(j-c)maxの周波数依存性を示す図である。
【図６】本実施形態で実行するTjmaxの過渡応答補正を示す図である。
【図７】インバータ装置を構成する代表的な回路構成を示す図である。
【図８】インバータ装置の一般的な運転動作例を示す図である。
【図９】図８に示す加速運転時のインバータ出力電流，発生損失，ジャンクション温度Tjの各波形を示す図である。
【符号の説明】
【００３４】
101   インバータ装置を構成する半導体素子
102   DCリンク電圧
103   ヒートシンク
201   インバータ動作条件，運転パターン入力部
202   各区間での半導体素子の平均発生損失演算部
203   半導体素子特性データベース
204   T(c-f)，T(f-a)演算部
205   区間内で最大周波数時のT(j-c)max演算部
206   区間内で最小周波数時のT(j-c)max演算部
207   T(j-c)max周波数依存性演算部
208   Tj演算部
209   Tjmaxの過渡応答補正演算部
210   計算結果出力部
【図１】
2010124606.tif 000003
【図３】
2010124606.tif 000004
【図４】
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【図５】
2010124606.tif 000006
【図６】
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【図７】
2010124606.tif 000008
【図８】
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【図２】
2010124606.tif 000010
【図９】
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